光纖應(yīng)變域在長壁地線上的應(yīng)用研究

光纖應(yīng)變域在長壁地線上的應(yīng)用研究

0光纖應(yīng)變域和附加衰減區(qū)光滑復(fù)合航空空帶（opgw）是具有光纖的航空空帶，由光纖單元和切下的金屬線組成。在架設(shè)和工作期間OPGW會發(fā)生伸長,由于光纖允許的伸長量遠小于金屬線材,因此纜內(nèi)的光纖不但必須有合適的光纖余長(ExcessFiberLength,EFL),還必須滿足一定的應(yīng)變范圍,該范圍相對于OPGW的額定拉斷張力(RatedTensileStrength,RTS)可稱為光纖的“應(yīng)力—應(yīng)變窗口”,或稱為“光纖應(yīng)變域”。常規(guī)OPGW主要采用G.652光纖,EFL通常要求為0.6%~0.7%,對光纖應(yīng)力應(yīng)變的要求則為:在40%RTS拉力下光纖無應(yīng)變和無附加衰減,在60%RTS拉力下光纖應(yīng)變≤0.25%且附加衰減≤0.5dB在高覆冰、大風(fēng)和大跨越區(qū)域應(yīng)用的OPGW,在極端條件下承受的拉力有可能超過70%RTS并維持一段時間。在國際市場上如北美地區(qū),電力部門要求OPGW在60%RTS時光纖無應(yīng)變,在高覆冰區(qū)要求在80%RTS拉力下的光纖應(yīng)變≤0.25%,這就要求EFL大于0.7%,而受G.652光纖宏彎性能的制約,將導(dǎo)致較大的附加衰減。為此,文獻[2]介紹了利用G.652D彎曲不敏感光纖開發(fā)的大余長光纖OPGW,該OPGW的EFL為0.9%,光纖應(yīng)變域達95%RTS;24芯的OPGW直徑為14.1mm,自重為510kg/km,RTS為67kN,1550nm處光纖損耗≤0.20dB/km本文介紹了利用G.657.B3彎曲不敏感光纖研制的光纖應(yīng)變域?qū)拸V的OPGW。1光纖色散和剩余長度1.1gw在使用中的預(yù)期伸長OPGW在安裝和壽命期間預(yù)期的應(yīng)變和伸長與光纜的結(jié)構(gòu)和材料相關(guān),OPGW在使用中的預(yù)期伸長(應(yīng)變)見表1所列。由表1可知,在預(yù)期工作壽命期間,OPGW的總伸長量在0.6%左右。由于光纖的允許伸長量小于金屬材料,因此光纖余長為0.6%~0.7%方能克服OPGW預(yù)期伸長量1.2opgw纜余長的組成光纖余長(EFL)是所有光纜設(shè)計和生產(chǎn)過程中的重要參數(shù),將直接影響到光纜的傳輸、機械、環(huán)境等各項性能以及直徑、重量、成本等方面。EFL為光纜受張力伸長后提供了在一定范圍內(nèi)的光纖應(yīng)變窗口,決定了纜的抗拉伸性能光纜中的EFL有2層內(nèi)涵:一是指光纖相對于松套保護管的冗余長度,或簡稱為“管余長”,松套保護管在OPGW中常被稱為“光纖單元”或“光單元”;二是指光纖相對于纜本體長度的冗余長度,或簡稱為“纜余長”。光纖單元處于纜結(jié)構(gòu)中心(中心管OPGW)的纜余長幾乎就是管余長,把光纖單元置于纜結(jié)構(gòu)層絞層中(層絞OPGW)可獲得額外的“絞合余長”,故層絞OPGW纜余長由管余長和絞合余長2部分組成,又稱為“綜合余長”。光纖余長是以光纖彎曲的形態(tài)儲存在保護管中的,光纖在管中的彎曲半徑越小,彎曲的次數(shù)就越多,余長則越大,但過小的彎曲半徑會導(dǎo)致宏彎損耗而增大光纖衰減。管內(nèi)的光纖余長與管的內(nèi)徑、光纖的外徑和數(shù)量、光纖的彎曲性能等因素有關(guān),另外還取決于工裝設(shè)備和工藝對余長的控制能力1.3應(yīng)變邊界與應(yīng)變域當光纜剛開始伸長時,EFL被釋放但無應(yīng)力和無附加損耗;隨著纜伸長,EFL逐漸減小,光纖開始產(chǎn)生應(yīng)變和附加衰減。在電力行業(yè)標準中,OPGW允許承受的拉伸力及性能要求見表2所列。該要求可理解為:60%RTS是對常規(guī)OPGW中光纖應(yīng)變域的基本要求,但也可以有用戶和制造商協(xié)商的特殊需求。該標準還定義了應(yīng)變限量,應(yīng)變限量是光纖在無縱向應(yīng)變時OPGW能承受的最大應(yīng)變量,即光纖開始應(yīng)變時纜的應(yīng)變量在合理的OPGW結(jié)構(gòu)設(shè)計和良好的工藝條件下,G.652光纖完全可以滿足表2中常規(guī)OPGW光纖應(yīng)變域至60%RTS的要求,合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和有效的余長控制能力可將G.652光纖的應(yīng)變域擴展至70%RTS或更大。但G.652光纖的允許彎曲半徑制約了管內(nèi)的光纖余長,往往需減少管內(nèi)光纖數(shù)量或增大管內(nèi)徑(將導(dǎo)致纜結(jié)構(gòu)變大),要保持纜結(jié)構(gòu)不變而增大光纖應(yīng)變域,G.652光纖顯然力不從心。對G.652光纖的折射率剖面結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化可以改善彎曲性能,并可使OPGW的EFL達0.9%、光纖應(yīng)變域擴展至95%RTSG.657系列光纖是對彎曲不敏感的光纖,最初是為光纖到戶(FiberToTheHome,FTTH)系統(tǒng)中大量的小彎曲直徑(近似直角)布線而發(fā)展起來的。ITU-T的G.657系列光纖目前分為A1、A2、B2和B3共4級2g.65d光纖和g.657.b3纖維2.1衰耗譜特性的測量國產(chǎn)G.652D光纖和G.657.B3光纖的主要性能對比見表3所列。2種光纖的衰耗譜特性的實測值如圖1所示。從表3和圖1來看,G.657.B3光纖的主要性能與G.652D幾乎相同,但G.657.B3光纖允許很小的彎曲半徑而不明顯增大宏彎損耗,且模場直徑的公差范圍更小。2.2g.65cd對雙向動力特性的影響光纖接續(xù)是工程中所關(guān)心的問題之一,尤其是2種不同型號光纖的對接,通常認為模場直徑的失配是導(dǎo)致光纖接續(xù)損耗增大的主要因素由圖2可知,即使G.652D和G.657.B3的模場直徑相同,在對接時光時域反射儀(OpticalTimeDomainReflectometer,OTDR)仍顯示出明顯的方向性;不論在1310nm還是1550nm波長,光從G.652D注入到G.657.B3時均出現(xiàn)負值,反方向則出現(xiàn)正值(衰減),然而雙向平均值卻并不大。究其原因,主要是由于兩者的折射率剖面結(jié)構(gòu)不同。根據(jù)相關(guān)國際和國內(nèi)標準,OTDR單向損耗值并不是真實衰減,在實際工程中應(yīng)取OTDR雙向損耗平均值。用模場直徑為8.2~9.3μm的G.652D光纖與模場直徑為8.62~8.87μm的G.657.B3光纖對接,62對光纖的接續(xù)點在1310nm和1550nm波長下的接續(xù)損耗平均值如圖3a所示。用不同模場直徑(公差范圍內(nèi))的G.657.B3光纖對接,100對光纖的接續(xù)點在1550nm下的接續(xù)損耗平均值如圖3b所示。由圖3a可知,G.657.B3與G.652光纖的對接平均損耗分布在0.01~0.07dB之間,在工程中是可以接受的;由圖3b可知,G.657.B3光纖的自身對接損耗與G.652光纖自身對接無區(qū)別。3采用g.657.b3光纖3.1opgw結(jié)構(gòu)分析試驗用OPGW結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。試驗用OPGW主要參數(shù)見表4所列。由圖4和表4可知,該OPGW是一種層絞式經(jīng)典結(jié)構(gòu),采用了一根通?？扇菁{24芯G.652.B1或G.655.B4單模光纖的外徑為2.5mm的不銹鋼管,現(xiàn)為24芯G.657.B3光纖。3.2影響g.657.3光纖單元的工作波長OPGW制造過程主要分為著色(含色環(huán))、鋼管光纖單元制造和絞線成纜。制造過程中每根光纖的光衰減變化如圖5所示,其中圖5a和圖5b分別對應(yīng)1310nm和1550nm工作波長。由圖5可知,著色工序?qū).657.B3光纖的影響不大,鋼管光纖單元制造過程的衰減略有增大,而在絞線成纜后則會下降。成纜后的最終檢驗結(jié)果表明,纜中的G.657.B3光纖在1310nm的光衰減≤0.34dB/km,在1550nm的光衰減≤0.20dB/km。3.3偏度2,0.纜中24根光纖的余長分布如圖6所示,纜余長分布在1.28%~1.37%范圍內(nèi),余長的中心值為1.325%,偏離度為±0.045%;有14根光纖的余長為1.31%~1.34%,偏離度為±0.015%。圖6給出的光纖余長比常規(guī)OPGW幾乎大了一倍,而這是擴展光纖應(yīng)變域的必備條件。實踐證明,要制造大余長光纖OPGW,首先光纖要有對彎曲損耗不敏感的性能,其次要有足夠強的余長控制能力,最后則是鋼管中多根光纖的余長離散度應(yīng)盡量小。3.4應(yīng)力應(yīng)變釋放后的循環(huán)特性把纜中24根光纖按每2根光纖串接組成12條光路,向OPGW施加張力至120kN(相當于約110%RTS),檢測了所有G.657.B3光纖的應(yīng)力應(yīng)變性能,G.657.B3光纖OPGW的應(yīng)力應(yīng)變測量結(jié)果如圖7所示。由圖7可知,當拉力在80%RTS(88kN)及以下時,光纖應(yīng)變幾乎為0,附加損耗小于0.03dB;當拉力為100%RTS(110kN)時,光纖應(yīng)變約為0.1%,附加損耗小于0.03dB;當拉力為105%RTS(116kN)時,光纖的應(yīng)變約為0.25%,附加損耗小于0.05dB。釋放所施加的張力,以光纖應(yīng)變達0.25%RTS為基準向OPGW施加張力(116kN,相當于105%RTS),連續(xù)進行3次拉伸(約10min)作為1次循環(huán),間隔約10min再進行第2次循環(huán),循環(huán)3次,總計用時約50min,105%RTS張力下的循環(huán)測量結(jié)果如圖8所示。由圖8可知,隨著拉力的增大,每次光纖應(yīng)變都達到了0.25%的上限值,拉力釋放后光纖應(yīng)變變?yōu)?;在第1次循環(huán)與第2次循環(huán)之間,有1根光纖的附加損耗≤0.05dB,其余均≤0.03dB;多次循環(huán)結(jié)果表明G.657.B3光纖的應(yīng)力應(yīng)變性能可以恢復(fù)。綜合圖7和圖8結(jié)果可知,該OPGW的光纖應(yīng)變域≥100%RTS,且可以反復(fù)承受大張力的沖擊(如覆冰和大風(fēng)等)而不劣化傳輸性能。3.5g.657.3光纖附加衰減按電力行業(yè)標準要求,纜中每根G.657.B.3光纖的溫度循環(huán)衰減性能如圖8所示。實測結(jié)果表明,在1550nm波長下,G.657.B3光纖在–40~65℃溫度循環(huán)試驗中的附加衰減≤±0.024dB/km,滿足電力行業(yè)標準“在1550nm波長,相對于20℃時的附加衰減應(yīng)不大于0.1dB/km”的要求。4光纖熔接試驗結(jié)果根據(jù)本文方案開發(fā)成功的光纖應(yīng)變域?qū)拸V的OPGW,在外徑為2.5mm的松套鋼管內(nèi)植入24根G.657.B3彎曲不敏感光纖,制成的OPGW外徑為12.6mm,纜的光纖綜合余長超過了1.28%。成纜后的檢測結(jié)果表明,1550nm處的光纖衰減≤